JP5208187B2 - リアクトル装置 - Google Patents

Description

この発明は、電力変換器に用いられるリアクトル装置、特に位置決めの容易化によって、ばらつきの低減と作業時間の短縮、コストの低減を図りつつ、磁気特性の安定化を図った車載用途などに好適なリアクトル装置に関するものである。

従来、電力変換器の一部としてリアクトル装置が用いられており、例えばエネルギ蓄積／放出素子としてＤＣ／ＤＣ電圧変換器の回路部品に使用される。電力変換器の動作時に、リアクトル装置のコイルに通電すると発熱が生じる。この熱を外部に逃がすため、放熱板を介して外部に放熱する構成が採られている。
そして、自動車の電動パワートレインに搭載する電力変換器に適用したリアクトル装置では、熱伝導性が良好なコイルをコイルの外周に沿わせた形でフィンつきカバーやハウジングを絶縁部材を介して接触させ放熱面積を増大させ、温度上昇を抑制しようとしている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−５０５２７号公報

しかし、一体ケースで位置決めが施されていない場合は、ネジ部材や、保持部材などの公差やばらつきにより位置ずれが大きく、この位置ずれにより主冷却面からの距離、及び他方冷却面からの距離がばらつき、リアクトル全体を一部品としてみたときの発熱偏りが大きくなるので、集中した輻射熱により周辺の電子部品の熱暴走や故障を考慮にいれる必要がある。
放熱性能のばらつきは、コイル、樹脂の温度上昇の個体ばらつきにつながり瞬時定格を引き上げることが困難となる。
また、前述のように一体ケースで位置決めがされず、部品の位置ばらつきが大きい場合は、外部に表れる電圧リップル、電流リップルがばらつき磁気特性が安定せず、他の部品仕様へのマージン折込が増加し、部品の高コスト、大型化となってしまう。
さらに、磁性体コア及びコイルにおける冷却を実施していても、磁性体コア内を通らない漏れ磁束がリアクトルの保持を実施するケース側面部や、固定及び保持部材などの周辺導体内を導通することで、これらの部品が発熱するため、前述ケース、固定及び保持部材における放熱を考慮する必要があるため、部品の高コスト、大型化へとつながってしまう。
このように、個々の部品点数の多い製品では、個々の部品コストが掛かり、また、生産時の組立時間も増加し、高コストの製品となってしまう。

この発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、簡素且つコンパクトな構成で、コイル及びコアの発熱を低減させ、且つ、リアクトル全体での発熱分布を均等化し、リアクトルの冷却効率も向上させることができ、リアクトルの小型化を実現できる構造を提供できることを目的とする。

この発明は、ケースと、上記ケース内に収容される誘導体部品と、上記誘導体部品と上記ケースとにより形成される隙間に充填されるモールド樹脂と、を有するリアクトル装置であって、上記誘導体部品は、磁性体材料として内部に磁路を形成するコアと、導体巻線を略円筒状に巻回したコイルと、上記コアの柱状部に上記コイルの巻回部を位置決めして係止する絶縁ボビンと、上記コイルの巻回部と上記ケースとの間を絶縁するシート状絶縁部材とを備え、上記絶縁ボビンは、上記コイルの軸方向の両端側からそれぞれ、上記コイルの内側に上記軸に沿って嵌挿される円筒状の筒状部が平面部の中央から突出してなる一組の分割された絶縁ボビンからなり、上記コアは、上記コイルの軸方向の両端側の上記絶縁ボビンの外側からそれぞれ、側端部の上記絶縁ボビンの平面部が接する面側の中央から、上記軸に沿って上記絶縁ボビンの筒状部に嵌挿される円筒状の柱状部が、また上記側端部の両端からそれぞれに、上記コイルの外側に沿って延びる外脚部が、それぞれ同じ方向に突出した一組の分割された磁性体コアからなり、上記コイル、一組の分割された絶縁ボビン、一組の分割された磁性体コアが一体にされて上記ケース内に収容され、上記ケースは、内底面の略中央に、上記コイルの巻回部の半径と同じ半径または上記コイルの巻回部の半径の２倍の半径で且つ下に凹の円柱周縁状面が形成された第１の突起部が設けられ、上記誘導体部品は、上記シート状絶縁部材を介して、上記コイルの巻回部を上記ケースの円柱周縁状面に載置して位置決めして保持されると共に、上記軸方向の上記コイルの両端側で上記各分割された絶縁ボビンが上記ケースに固定される、ことを特徴とするリアクトル装置にある。

この発明に係るリアクトル装置は、コアに存在するギャップで発生する漏れ磁束に起因する電磁波や発熱の周辺への影響を最小限にとどめることができるとともに、ケース内に誘導体部品を挿入するだけで、容易に位置決めができるため、製作効率を向上することが可能であるという効果を奏する。

この発明の実施の形態１に係るリアクトル装置を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１に係るリアクトル装置の構成部品を展開して示す分解斜視図である。 図１の切断面Ａでのリアクトル装置の断面図である。 図１の切断面Ｂでのリアクトル装置の断面図である。 誘導体部品をケースへ収容する前段階の外形を示す図である。 ケースの内底面の詳細を示す斜視図である。 ケースの開放面の上方から見てケースの内部と磁性体コアの位置関係を説明する横断面図である。 磁性体コアの柱状部間にギャップがある場合の磁束を示す。 磁性体コアの外脚部間にギャップがある場合の磁束を示す。

以下、本発明のリアクトル装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るリアクトル装置を示す斜視図である。図２は、このリアクトル装置の構成部品を展開して示す分解斜視図である。尚、各図を通じて同一符号は同一または相当部分を示す。
この発明の実施の形態１に係るリアクトル装置１は、ケース２と、このケース２に収容された誘導体部品３と、ケース２内で誘導体部品３を浸漬するモールド樹脂４とを備える。
誘導体部品３は、分割された絶縁ボビン５ａ、５ｂ、コイル６、分割された磁性体コア７ａ、７ｂが組み合わせて構成されている。
また、コイル６の巻回部６２とケース２の内底面との間には図示しない薄板状の絶縁部材９が介挿されている。
絶縁ボビン５ａ、５ｂは、プラスチックを成型した構造部品であり、電気的に絶縁性を有している。

尚、図１においてモールド樹脂４は便宜上透明化して示している。また、以下の説明において、絶縁ボビン５ａ、５ｂをまとめて絶縁ボビン５と呼ぶ場合がある。同様に磁性体コア７ａ、７ｂをまとめて磁性体コア７と呼ぶ場合があり、他の部材についても同様である。

誘導体部品３は、電力変換器の一つであるＤＣ／ＤＣ電圧変換器（図示省略）へ適用する場合にコイル６へ電流が導通され、誘導体としてエネルギを蓄積、放出する機能を有する。
磁性体コア７ａ、７ｂは、軟磁性材料を加工成形したものであり、例えば鉄ダスト圧粉磁心、電磁鋼板、フェライト、センダストやパーマロイなどが用いられる。
コイル６を構成する素線導体は、エナメル材料で絶縁被覆したものであり、リアクトル装置１を小型にする目的から占積率を高めるよう代表的には断面が略長方形状の平角導線を用いる。
コイル６は、平角導線を幅広方向に巻回したいわゆるエッジワイズ巻きしたものである。また、コイル６は、コイル６の巻回部６２に対応する磁性体コア７の巻装領域である柱状部７２ａ、７２ｂを絶縁ボビン５ａ、５ｂを介して覆うように配置される。
そして、コイル６の巻回部６２は円筒状であり、巻回部６２の外側面は巻回円周縁となる。
素線導体の始端及び終端は、誘導体部品３の電流導通用の端子６１ａ、６１ｂとなるよう加工されている。コイル６の一方の端子６１ａと他方の端子６１ｂとの間に印加する電圧を変化させることによって、端子間に電流が流れる。

ＤＣ／ＤＣ電圧変換器へ適用したリアクトル装置１は、端子６１ａ、６１ｂに接続されるパワー半導体（図示省略）がスイッチングして開放状態、短絡状態の何れかに切り替わることで、コイル６の端子６１ａ、６１ｂ間の電位差が調整される。電位差の調整によってコイル６に導通する電流の増加量、減少量が制御され、ひいてはリアクトル装置１に蓄えられるエネルギの蓄積、放出が調整されて電圧変換する。この時、コイル６に導通する電流の増減や極性の切り替わりが生じ、磁性体コア７内の磁路を通る磁束量が変化する。

磁性体コア７の動作点は、磁束量が変化することで磁束密度（Ｂ）と磁界の強さ（Ｈ）の関係を示すＢ−Ｈ特性線上を移動するが、磁気特性のヒステリシス性によって、この動作点の移動軌跡で表わされる領域の面積に相当する損失が、磁性体コア７のヒステリシス損として生じる。
また、磁性体コア７の内部を通る磁束（Φｃｒ）の時間的な変化ｄΦｃｒ／ｄｔに対し、この磁束の変化を和らげようとする渦状の電流が磁性体コア７の内部に流れ、この渦状の電流路での電気抵抗により渦電流損として損失が生じる。
このヒステリシス損と渦電流損を合わせて鉄損と称され、これによって磁性体コア７は発熱する。

磁性体コア７の磁性材料として例えば電磁鋼板を用いる場合には、磁性体コア７の渦電流損を低減するため、鋼板を薄板とし、その表層に絶縁被膜を形成し、積層することで渦電流のループ径を小さくし、渦電流損を低減するよう工夫されている。
また、磁性体コア７の磁性材料として例えば鉄ダスト圧粉磁心を用いる場合には、鉄ダスト材料の粒径を１００μｍ以下の小径にして、各粒子の表面に絶縁被膜を形成し、粒子間を絶縁することで渦電流損を低減するよう工夫されている。

また、コイル６には電流の導通に対する電気抵抗によって損失が生じる。損失には直流状の電流の導通に対応するＤＣ成分と、電流の増加、減少の変化による交流状の電流の導通に対応するＡＣ成分がある。
損失のＡＣ成分の要因には、電流の増加、減少を妨げるようコイル６の素線導体に誘起される磁束（Φｉ）の時間的な変化ｄΦｉ／ｄｔによって、素線導体の内部に発生する渦電流に起因して素線導体の中心部分に電流が導通しにくくなる表皮効果と呼ばれる現象が生じる。
また、コイル６の巻回部６２で素線導体同士が隣接していることにより、それぞれ素線導体の表面部分に偏って電流が流れようとする近接効果と呼ばれる現象が生じる。
また、上述のように、磁性体コア７の磁気ギャップ部での漏れ磁束がコイル６の素線導体に鎖交することによって素線導体に発生する渦電流に起因して損失が生じる現象が生じる。
電流の増加、減少の周波数が高くなるほど、漏れ磁束の鎖交周波数ｆｓが高くなることに相当しており、コイル６の損失のＡＣ成分は増加することとなる。
このコイル６での損失のＤＣ成分とＡＣ成分を合わせたものは銅損と称され、これによってコイル６は発熱する。

このように、磁性体コア７とコイル６は発熱するが、これら発熱した熱はモールド樹脂４に伝熱し、ケース２を伝わってヒートシンク１１へ向けて放熱される。ケース２は誘導体部品３の収容と磁性体コア７、コイル６が発熱する熱を伝熱する役割を担っており、高い放熱性が求められる場合には、熱伝導性を高くする目的から金属が用いられる。
また、磁性体コア７は一部がケース２の内部の下底面に当接し、この当接部分を経由してもヒートシンク１１へ向けて放熱する。

さらに、リアクトル装置１の構成について、図２、図３、図４を参照して、詳細に説明する。図３は図１の切断面Ａでのリアクトル装置１の断面図、図４は図１の切断面Ｂでのリアクトル装置１の断面図であって、実施の形態１に係るリアクトル装置１の内部構造を示している。
コイル６の内側に、一組の絶縁ボビン５ａ、５ｂの円筒状の筒状部５２ａ、５２ｂが嵌挿されるように配置され、絶縁ボビン５ａ、５ｂが突き合わされて、筒状部５２ａ、５２ｂの先端部（嵌合部５２ｃ）が嵌合されている。
磁性体コア７ａ、７ｂの柱状部７２ａ、７２ｂが絶縁ボビン５ａ、５ｂの筒状部５２ａ、５２ｂに嵌挿されている。絶縁ボビン５ａ、５ｂの平面部５３ａ、５３ｂが、磁性体コア７ａ、７ｂの側端部７４ａ、７４ｂの内側面に接触するように取り付けられている。

絶縁ボビン５ａの平面部５３ａの筒状部５２ａが突出している方の面に、コイル６の端子６１ａに連なる口出し線の巻回部６２から立ち上がる部分の位置を決める突起部が設けられており、口出し線は突起部により拘束される。
同様に、絶縁ボビン５ｂの平面部５３ｂの筒状部５２ｂが突出している方の面に、コイル６の端子６１ｂに連なる口出し線の巻回部６２から立ち上がる部分の位置を決める突起部５４が設けられており、口出し線は突起部５４により拘束される。
尚、図２にて平面部５３ａに設けられた突起部を図示していないが、絶縁ボビン５ｂに設けられた突起部５４と同様の形状であり、引き出し線が立ち上がる位置に設けられている。

また、絶縁ボビン５ａの平面部５３ａの上端面に、コイル６の端子６１ａ、６１ｂに連なる口出し線の水平に延びる部分の位置を決める突起部５６ａ、５６ｂが設けられており、口出し線は突起部５６ａ、５６ｂにより拘束される。
コイル６の端子６１ａ、６１ｂとこれらに連なる口出し線が拘束されることで、コイル６の端子６１ａと端子６１ｂとの間の距離を所定値に定めることができ、端子６１ａと端子６１ｂの間に大きな電位差を与えても、所望の絶縁耐性を得るよう絶縁距離（沿面距離）を確保できる。

また、コイル６の端子６１ａ、６１ｂは絶縁のためのエナメル被覆を剥離されて、図示していない配索導体（バスバー）へ継合され、ＤＣ／ＤＣ電圧変換器の一次側や、主回路の半導体素子へ電気的に接続される。
絶縁ボビン５ａにはバスバーの継合のための端子台５７が一体の構造物として設けられている。端子６１ａ、６１ｂとバスバーとの電気的な接続は溶接や熱カシメ、圧着端子を用いたネジ締結などによってなされる。
但し、本発明の各図を通じて、コイル６の端子６１ａ、６１ｂ及び絶縁ボビン５ａの端子台５７は、バスバーとの継合をネジ締結によるものとして例示している。

磁性体コア７ａの外脚部７３ａと磁性体コア７ｂの外脚部７３ｂとは突き合わされ、図示を省略している接着剤または固定部材などの固定手段によって固着されている。
磁性体コア７ａ、７ｂの柱状部７２ａ、７２ｂが対向された部分には、磁気ギャップＧが形成される場合もある。その際は、磁気ギャップＧとなる領域に例えば接着剤、モールド樹脂、セラミック、空気等の非磁性の材料が設けられている。

次に、誘導体部品３のケース２内への収容について図５、６、７を用いて説明する。
図５は、誘導体部品３をケース２へ収容する前段階の外形を示す図である。図６は、ケース２の内底面の詳細を示す斜視図である。図７は、ケース２の開放面の上方から見てケース２の内部と磁性体コア７の位置関係を説明する横断面図である。
ケース２は、内部の空間が略直方体であり、上面を開放面とし、残る５面を側壁２１と底２２で囲い、囲われた内部に誘導体部品３を収容する。ケース２の底２２は、対向する辺が外側に拡げられて、ネジ締結などでヒートシンク１１に取り付けられるよう加工された形状となっている。
ケース２の開放面と相対する面、すなわちケース２の内底面の裏面は平面状でヒートシンク１１に接しており、誘導体部品３が発生する熱は、主に当該内底面から底２２を通過してヒートシンク１１へ放熱される。以降、ケース２の底２２の内底面の裏面を第一面と称する。

ケース２の相対する一対の側壁２１の幅方向の中央には、上下方向に縦立する張出し部２３ａ、２３ｂが形成されている。張出し部２３ａに、図示しないネジにより、誘導体部品３の絶縁ボビン５ａの突出部５５ａが締結される。また、張出し部２３ｂに、図示しないネジにより、誘導体部品３の絶縁ボビン５ｂの突出部５５ｂが締結される。

ここで、内底面の説明で用いる面の定義を行う。尚、以下の説明で取り上げる円柱はコイル６の巻回部６２の半径と同じ半径またはコイル６の巻回部６２の半径の２倍の半径である。
円柱の軸を含む平面を円柱の径方向に移動した切断平面で円柱の側面を切り取って得た面の内、切断平面に対して軸と反対側にある面を円柱周縁状面と称す。そして、元の円柱の軸を円柱周縁状面の軸、元の円柱の半径を円柱周縁状面の半径と称す。

ケース２の内底面は、図６に示すように、中央に上から内底面を見ると矩形である第二面領域ｓｆ２と、第二面領域ｓｆ２を囲繞する口字状の第一面領域ｓｆ１との２つの領域に分けられる。第一面領域ｓｆ１は、平面から構成されているのに対して、第二面領域ｓｆ２は、軸が張出し部２３ａ、２３ｂを通過する線上に重なるように配置された円柱周縁状面を有する。この円柱周縁状面は、コイル６の軸をこの円柱周縁状面の軸と合わさったとき、コイル６の巻回部６２の巻回円周縁を保持する。
そして、この第二面領域ｓｆ２の円柱周縁状面の軸と平行な線のうち最も低い線は、第一面領域ｓｆ１の平面より高いので、第二面領域ｓｆ２は第一面領域ｓｆ１から上方に突起している。そこで、第二面領域ｓｆ２に第１の突起部が設けられていることになる。

コイル６をコイル６の軸が円柱周縁状面の軸と重なるようにして円柱周縁状面の上に載せると、コイル６の巻回部６２の巻回円周縁の軸と平行な線のうち最も低い線が円柱周縁状面の軸と平行な線のうち最も低い線と同じ位置に揃って位置決めされる。すなわち、この重なった線が位置決め基点となり、この位置決め基点を中央にしてコイル６の巻回部６２の巻回円周縁の巻回円周の半分または４分の１の領域に亘って円柱周縁状面により保持される。

このように第二面領域ｓｆ２に円柱周縁状面が上に形成された第１の突起部が設けられ、コイル６の巻回部６２の巻回円周縁が円柱周縁状面に当接し、ケース２とコイル６との隙間が減少するので、コイル６の冷却機能を向上させることができ、リアクトル装置１の小型化が可能となる。
また、コイル６の大小に係わらず、第二面領域ｓｆ２の第１の突起部に円柱周縁状面が有るので、コイル６自身の自重でケース中央部に収まり、生産性が向上する。

なお、図示して説明しないが、第１の突起部の両側に第２の突起部を設けてコイル６を支持しても良い。

ケース２の開放面の上方からケース２の内底面を見て、ケース２の内部で磁性体コア７を内底面に投影すると図７のようになる。
図７おいて、磁性体コア７ａの外脚部７３ａ、側端部７４ａ、磁性体コア７ｂの外脚部７３ｂ、側端部７４ｂによって磁性体コア７の外周形状は口字状となる。口字状の外周に囲まれた内側に磁性体コア７ａの柱状部７２ａ、磁性体コア７ｂの柱状部７２ｂが在り、コイル６の中心軸６ｃと磁性体コア７の柱状部７２ａ、７２ｂの中心線が、ケース２の側壁２１の張出し部２３ａ、２３ｂの上端に形成される各ネジ孔の中心間を結ぶ線上におおよそ重なるよう位置している。

図７において外周形状が口字状の磁性体コア７は、ケース２の側壁２１に対して図上の左右方向、上下方向の中央に在り、口字状の磁性体コア７から側壁２１への距離、すなわち口字状の磁性体コア７の外側でモールド樹脂４が充填される隙間は、図上の左右方向、上下方向でそれぞれ略等距離となる。このため、モールド樹脂４を介して口字状の磁性体コア７から側壁２１へ伝熱する際に、偏り、ばらつきが低減される。

ケース２の内底面から上方向に高低差がある円柱周縁状面は、円柱周縁状面の軸がコイル６の中心軸６ｃを内底面に投影した線上に重なるよう配設されている。そして、円柱周縁状面の形状は、コイル６の巻回部６２の巻回円周縁にその間に介挿する絶縁部材９の厚さを加味した形状と一致する。
すなわち、コイル６の巻回部６２の巻回円周縁の最下部は、ケース２の内底面の第二面領域ｓｆ２に形成される円柱周縁状面の高低差の内で最も低い位置に絶縁部材９を介して位置決めされて配置される。

コイル６の内側に、絶縁ボビン５ａ、５ｂの円筒状の筒状部５２ａ、５２ｂが嵌挿されるように配置され、絶縁ボビン５ａ、５ｂが突き合わされて、筒状部５２ａ、５２ｂの嵌合部５２ｃで嵌合されている。
また、磁性体コア７ａ、７ｂの柱状部７２ａ、７２ｂが絶縁ボビン５ａ、５ｂの筒状部５２ａ、５２ｂの内側に嵌挿されている。
このため、誘導体部品３をケース２に収納する際に、誘導体部品３内の絶縁ボビン５ａの突出部５５ａがケース２の側壁２１の張出し部２３ａにネジ締結され、また、絶縁ボビン５ｂの突出部５５ｂがケース２の側壁２１の張出し部２３ｂにネジ締結されることで、磁性体コア７とケース２の間で位置決めがなされる。

以上のようにして、ケース２の内側にコイル６、絶縁ボビン５、磁性体コア７が位置決めされて図７に示す配置となる。上記の位置決めは、車載用のリアクトル装置１として小型で小さな寸法のもとで工作するものであって、且つ、高い電圧を扱うことに対して絶縁への配慮が必要な場合に有効に作用する。

リアクトル装置１の故障要因の代表的なものとして所望の絶縁耐性が得られなくなることが挙げられるが、絶縁耐性を充分確保して製品の不良や故障を低減させるには、所望の絶縁電圧に見合うよう、絶縁を要する部品間の距離（絶縁距離）を確保することが望まれる。
しかしながら、過大に距離を確保しまうと、リアクトル装置１を小型にしたいとの要求に相反してしまう。このため、必要最低限の絶縁距離でリアクトル装置１を構成する部品を配設することが望ましいが、リアクトル装置１を組み立てる工作過程で部品配置のばらつきが生じれば、所望の絶縁耐性を持たない不良品を製造するおそれが生じる。
しかし、本発明の位置決めの機構であれば、ばらつきによって絶縁距離が不足することなく、小型で小さな寸法であっても所望の絶縁耐性を持つリアクトル装置１を、容易な工作性で短時間に製造できる。

また、絶縁ボビン５がネジによりケース２に締結されたリアクトル装置１に関して、モールド樹脂４はケース２の内部へ充填され、コイル６、磁性体コア７、絶縁ボビン５、絶縁部材９を浸漬している。
ここで、コイル６の巻回部６２と磁性体コア７ａの外脚部７３ａ、磁性体コア７ｂの外脚部７３ｂとの間の絶縁性は、絶縁ボビン５や絶縁部材９の固形構造体の絶縁材料ではなく、空気中でも絶縁破壊が生じない程度の距離を隔てるよう配置することで確保される。ここで巻回部６２と外脚部７３ａ、外脚部７３ｂとの間の絶縁の確保を、モールド樹脂４が材料として持つ絶縁性に依存させても良いものの、モールド樹脂４の充填が不十分であったり、気泡の混入やクラックの発生にて水分が混入したりして、絶縁耐性が劣化するなどの故障を想定して、絶縁距離が設定される。

次に、磁性体コア７の内部及び外部に発生する磁束について説明する。
図８及び図９は誘導体部品３の磁性体コア７の磁束を示す図である。
磁性体コア７の柱状部７２ａ、７２ｂ間にギャップがある場合の磁束を図８に示し、磁性体コア７の外脚部７３ａ、７３ｂ間に外周上にあるコアギャップにおける磁束を図９に示す。尚、これらの磁束は他部品に妨げられることなく放射された場合の磁束について示したもので、図８と図９の磁束は同時に放射される現象である。また、図８と図９については、重なり合いや他部品による妨げが生じると、磁束の軌跡については、この限りでない。

図８に示すように、磁性体コア７の柱状部７２ａの端面と柱状部７２ｂの端面との間にギャップがあるときには、柱状部７２ａの端面と柱状部７２ｂの端面とに挟まれたギャップでは、磁束８０ｂのように、柱状部７２ａの端面から略垂直に放射され、柱状部７２ｂの端面に略垂直に入射される。
また、柱状部７２ａ、７２ｂから漏れる磁束は、柱状部７２ａと柱状部７２ｂの最近接する箇所から遠ざかるほど磁束８０ａのような大きな円弧を描きながら柱状部７２ａから放射された磁束は柱状部７２ｂに入射される。

図９に示すように、磁性体コア７の外脚部７３ａの端面と外脚部７３ｂの端面との間にギャップがあるときには、外脚部７３ａの端面と外脚部７３ｂの端面とに挟まれたギャップでは、磁束８１ｂのように、外脚部７３ａの端面から略垂直に放射され、外脚部７３ｂの端面に略垂直に入射される。
また、外脚部７３ａ、７３ｂから漏れる磁束は、外脚部７３ａと外脚部７３ｂの最近接する箇所から遠ざかるほど磁束８１ａのような大きな円弧を描きながら外脚部７３ａから放射された磁束は外脚部７３ｂに入射される。

この現象は、ギャップ付近での磁束密度が増加してくると、ギャップより遠い箇所の磁性体コア７から放出される磁束が増加し、放出される磁束はギャップ方向に対して角度が大きくなる現象から説明できる。

図８における中心軸６ｃを通るギャップにて発生する磁束については、漏れ磁束が巻回されたコイル６を通過し吸収される。また、コイル６を透過して、さらに外側に放射される磁界における磁束については、ケース２の第二面領域ｓｆ２、及び磁性体コア７にて吸収される。また、コア円柱軸上の中心を通る磁束については、最も大きな円の磁束８０ａを描いてコア円柱軸上に戻ってくる。
このときケースネジ止め用の張出し部２３ａ、２３ｂがこの軸上にあるため、そのすべてをケース２ネジ止め用張出し部２３ａ、２３ｂにて透過することなく吸収することができる。コイル６の外側上方に放射されたものについては空間へと放射されてしまうが、妨害される導体などが無いため、対となる磁性体コア７部分に磁束が戻ってくることとなる。

図９のように磁性体コア７のギャップは、柱状部７２ａ、７２ｂの端面が対向する箇所だけでなく、磁性体コア７の磁路の近接箇所８ｇすべてで起こるため、コイル６が巻回された柱状部７２ａ、７２ｂのみならず、磁性体コア７の外周における外脚部７３ａ、７３ｂの端面が対向する最近接箇所でも磁束の流れは同様の現象が起こるといえる。
この最近接箇所での漏れ磁束は、コイル６などの導体部分が無いため、ケース２の内側面に当たる磁束の量は多くなる。しかし、この最近接箇所では、磁束が外周壁面軸上には放射されず、ケース２の四隅における漏れ磁束の影響による発熱についてはほとんど無いものとできる。

次に、外脚部７３ａ、７３ｂでのギャップとケース２の内周部での磁束について図９を参照して詳細に説明する。
ギャップで発生する磁界について、その吸収体が導体である場合、ケース２内面表面部分で反射と屈折が起こる。このときに、磁束の方向がギャップに対して対向する磁性体コア７に放物線状に同一距離だけ移動せずに、ケース２内側の表面付近にて偏向される磁束が多くなり、磁束の減衰、消滅が起こる。
ケース２内周面に入射される磁束によるケース内部での渦電流の発生による発熱については、ケース２の厚みにより内周面だけでの発熱となり、ケース２の周囲及びその他周辺電子機器への影響は最小限に抑制できる。

このケース２の突起部をケース２中央に配置することにより、ケース２内におけるリアクトルの磁性体コアギャップで発生する漏れ磁束に起因する電磁波についてケース２壁面とリアクトル磁性体コア７間の距離が一定に保たれるため、磁性体コア７外部に発生される電磁波がケース２にて反射され、ある一点に集中することが少なくなる。

磁性体コア７の外周面とケース２の内周面における位置決めなどの突起はこのケース２には付属しておらず、磁性体コア７のギャップにおける漏れ磁束については、磁性体コア７直近においては、空気中に放射される磁束の角度がギャップ方向に対して小さいため、ケース２との距離を十分に確保していれば、発熱、磁気特性ともに空気中での特性とほとんど変化しないこととなる。

しかし、ギャップ付近での磁束密度が増加してくると、ギャップより遠い箇所の磁性体コア７から放出される磁束が増加し、放出される磁束はギャップ方向に対して角度が大きくなり、これにより発生する磁界についてはケース２内面で反射と屈折が起こる。
このときに、磁束の方向がギャップに対して対向するコアに放物線状に同一距離だけ移動せずに、ケース２内側の表面付近にて偏向される磁束が多くなり、磁束の減衰、消滅が起こる。
このとき前述したようにケース２などの金属導体内に入射した磁束による導体部分での渦電流の発生が、磁性体コアギャップ付近の金属導体内で発熱となるため、磁性体コア７を位置決めするような突起を設けた場合については、その突起部分にて磁束を妨げるため、磁気特性の劣化、及び磁界による渦電流による発熱の集中が突起部分で起こってしまう。

また、上記現象について、ギャップの近傍での磁束が対となる磁性体コア７に戻らず、磁束密度が変化することにより、ケース２に挿入した時にインダクタンスの低下が起こる。磁性体コアギャップをケース２壁面に近づけるほど磁束の偏りが生じ、ケース２の内面での発熱、及び磁気特性の劣化を顕著にすることとなる。

上記現象に対して、ケース２の内面において、磁性体コア７の外周側面に沿わない突起を設けることは、上記ギャップにて生じる磁束の方向を妨げる作用をするため、リアクトルの磁気特性を向上するためには、磁性体コア７外周側面に沿う形でのケース２が最良であるといえる。

また、磁性体コア７とケース２間距離が一定に保たれるため、ケース２で吸収される電磁波によって、渦電流が誘導されて発熱するものの、磁性体コア７と対となるケース２の壁面での熱部分布は均一となる。
このため、輻射熱の発生のばらつきが低減し、また輻射熱の量も抑制できる。
また、リアクトル近傍に電子部品を配置したとしても、電子部品の温度上昇度合いを軽減し、密に配置可能であり、本リアクトルを使用した電気機器を小型化できる。

また、自己の磁束と反射による電磁波が増幅される箇所、また、打ち消しあいによる磁束の減少する箇所においても現象の生じる範囲が広く分散され、磁気特性が変化する領域が特定できるため、リアクトルの磁気特性が個体ばらつき無く一定とできる。

次に、柱状突起部での磁束について図８を参照して詳細に説明する。
ケース２内におけるリアクトルの磁性体コア７のギャップで発生する漏れ磁束は、柱状周縁状面を形成した第二面領域ｓｆ２にて、吸収され、リアクトルの磁気特性が低下する現象についても、前述の現象を磁性体コア７の柱状部７２ａ、７２ｂと導体であるコイル６、及び、磁性体コア７の柱状部７２ａ、７２ｂと柱状周縁状面が形成された第二面領域ｓｆ２において該当する。

磁性体コア７の柱状部７２ａ、７２ｂの柱状形状に沿って巻回されたコイル６と、その巻回されたコイル６の外周円状を保持するように形成された柱状周縁状面が形成された第二面領域ｓｆ２があることにより、柱状部７２ａ、７２ｂのギャップで生じる磁界と外脚部７３ａ、７３ｂのギャップで生じる磁界が影響しあうことが少なくなり、互いの磁性体コア７のギャップ周辺における磁束の変化によって、相手の磁性体コア７に渦電流を生じさせ、発熱させることがなくなるため、磁性体コア７における温度特性による磁気飽和することがなくなり、リアクトルは安定した磁気特性を得ることができる。

磁性体コア７の柱状形状に沿って巻回されたコイル６と、その巻回されたコイル６の外周円状を保持するように設けられた、柱状周縁状面を形成した第二面領域ｓｆ２の形状については、磁性体コア７の漏れ磁束のケース２部での発熱の偏りが少なく、また、磁気特性の低下傾向が意図的に制御可能となり、磁気特性のばらつきを抑制、発熱の緩和することが可能である。

また、前述したように、この突起についても磁性体コア７の形状に沿うような形状としているため、すべての磁性体コア７とケース２間距離を一定に保つことができ、発熱の均一化、磁気特性の安定化が得られる。
このとき、ケース２が取り付けられる冷却面が下方にあることと、ケース一体にて位置決め突起を設けていることで、突起部にて発熱が生じても、十分に放熱をすることが可能である。
また、ケース柱状周縁状の窪みの突起部を持つことで、コア内面と柱状周縁状の窪みの突起部との距離が減少し、コアの冷却機能を向上させることができるため、リアクトルの小型化が可能となる。

この現象は、磁性体コアギャップにおける漏れ磁束によるものであるので、磁性体粉末を形成してできたダストコアからなる磁性体コア７に関して、磁束の打ち消し合いや、強めあいによるインダクタンス値の変化を低減するため、さらに有効であると言える。

また、柱状周縁状面を形成した第１の突起部を磁性体コア７の下端面よりも高い位置にて保持することと、ケース２の外周壁面の高さを設定することで、リアクトル上部にて発生する漏れ磁束をどの程度、機器外部に発生させないかを容易に設定することが可能である。

また、ボビンネジ止め用のネジ穴を設けるための張出し部２３ａ、２３ｂを、リアクトル柱状軸方向中心を通過し、ケース２外周側面に一体としてケース２に垂直に配置することにより、柱状部軸方向に磁性体コア７を貫通して放射される磁束をより厚いケース２で遮蔽可能となる。

上記磁性体コア７の円柱状軸にて磁性体コア７を貫通して発生した磁束については、リアクトル円柱軸上方向に放射されるため、リアクトルにおける磁束の空気中の最大磁路長となるため、他の周辺機器に対する影響をなくすためにも厚みのあるケース２にてすべてのケース２内で遮蔽を実施することが可能となる。

導体巻線を略円筒状に巻回したコイル６の内側面と、磁性体コア７の柱状部７２ａ、７２ｂの側面との間にコイル６の巻回部６２を位置決めして係止する絶縁ボビン５ａ、５ｂを配設し、一方、コイル６の巻回部６２の外側面の下側部分を第二面領域ｓｆ２の柱状周縁状面でシート状絶縁部材９を介して保持しているので、磁性体コア７がダスト材料の場合であっても、磁性体コア７を直接ケース２の突起や面で保持するときよりも、振動による磁性体コア７とケース２の接触部での破壊を防ぐことができる。

また、磁性体コア７の下端面がケース２の下底面の第一面領域ｓｆ１に接触しても、接触する下端面全体が第一面領域ｓｆ１に接するので、磁性体コア７の重量が分散してケース２に加わり、磁性体コア７の破壊を防ぐことが可能となる。

この発明の実施の形態１に係るリアクトル装置１は、磁性体コア７に存在するギャップにおける発熱を分散し、効率よく冷却することができるために、大電流、高電圧のリアクトル装置の小型化が可能となる。
また、コイル６とコイル６に巻回される磁性体コア７及びコアギャップを製品全体の中央に配置して中央に発熱を集中させ、且つ、ケース２の外面との距離を遠ざけ、高温に耐えうる構造部材にて構成すれば、瞬時定格が向上し、また、周辺部品への輻射熱の伝搬を減少させることができるため、製品全体を小型化することが可能となる。

また、ケース２の外側への電磁波の放射が抑制され、且つ、誘導体部品３からの輻射熱についても抑制されているので、周辺電子部品への影響を減少させることが可能であり、電気機器の小型化、高密度化に寄与が可能となる。
このため、高い燃費性能が求められるハイブリッド車や電気自動車といった電動車両のパワートレイン用電力変換器に用いるのに適したリアクトル装置１が得られる。

１ リアクトル装置、２ ケース、３ 誘導体部品、４ モールド樹脂、５、５ａ、５ｂ 絶縁ボビン、６ コイル、６ｃ 中心軸、７、７ａ、７ｂ 磁性体コア、９ 絶縁部材、１１ ヒートシンク、２１ 側壁、２２ 底、２３ａ、２３ｂ 張出し部、５２ａ、５２ｂ 筒状部、５２ｃ 嵌合部、５３ａ、５３ｂ 平面部、５４ 突起部、５５ａ、５５ｂ 突出部、５６ａ、５６ｂ 突起部、５７ 端子台、６１ａ、６１ｂ 端子、６２ 巻回部、７２ａ、７２ｂ 柱状部、７３ａ、７３ｂ 外脚部、７４ａ、７４ｂ 側端部、８０ａ、８０ｂ、８１ａ、８１ｂ 磁束、Ｇ 磁気ギャップ、ｓｆ１ 第一面領域、ｓｆ２ 第二面領域。

Claims (5)

1. ケースと、上記ケース内に収容される誘導体部品と、上記誘導体部品と上記ケースとにより形成される隙間に充填されるモールド樹脂と、を有するリアクトル装置であって、
   上記誘導体部品は、
   磁性体材料として内部に磁路を形成するコアと、
   導体巻線を略円筒状に巻回したコイルと、
   上記コアの柱状部に上記コイルの巻回部を位置決めして係止する絶縁ボビンと、
   上記コイルの巻回部と上記ケースとの間を絶縁するシート状絶縁部材と
   を備え、
   上記絶縁ボビンは、上記コイルの軸方向の両端側からそれぞれ、上記コイルの内側に上記軸に沿って嵌挿される円筒状の筒状部が平面部の中央から突出してなる一組の分割された絶縁ボビンからなり、
   上記コアは、上記コイルの軸方向の両端側の上記絶縁ボビンの外側からそれぞれ、側端部の上記絶縁ボビンの平面部が接する面側の中央から、上記軸に沿って上記絶縁ボビンの筒状部に嵌挿される円筒状の柱状部が、また上記側端部の両端からそれぞれに、上記コイルの外側に沿って延びる外脚部が、それぞれ同じ方向に突出した一組の分割された磁性体コアからなり、
   上記コイル、一組の分割された絶縁ボビン、一組の分割された磁性体コアが一体にされて上記ケース内に収容され、
   上記ケースは、内底面の略中央に、上記コイルの巻回部の半径と同じ半径または上記コイルの巻回部の半径の２倍の半径で且つ下に凹の円柱周縁状面が形成された第１の突起部が設けられ、
   上記誘導体部品は、上記シート状絶縁部材を介して、上記コイルの巻回部を上記ケースの円柱周縁状面に載置して位置決めして保持されると共に、上記軸方向の上記コイルの両端側で上記各分割された絶縁ボビンが上記ケースに固定される、
   ことを特徴とするリアクトル装置。
2. 上記コイルの巻回部は、軸が水平に配置された上記コイルの巻回部の外側面に下側から上昇させた水平面が接するときに接した上記外側面の線分を位置決め基点とし、且つ巻回円周の半分または４分の１の領域に亘って上記第１の突起部によって保持される
   ことを特徴とする請求項１に記載のリアクトル装置。
3. 上記ケースは、
   上記第１の突起部の両端に第２の突起部が設けられ、
   上記コイルの巻回部は、上記第１の突起部と上記第２の突起部によって位置決めされるとともに、軸が水平に配置された上記コイルの巻回部の外側面に下側から上昇させた水平面が接するときに接した上記外側面の線分を位置決め基点とし、且つ巻回円周の４分の１以下の領域に亘って上記第１の突起部によって保持される
   ことを特徴とする請求項１に記載のリアクトル装置。
4. 上記コアの下端面は、上記ケースの内底面に当接しており、
   上記コイルの巻回部は、上記ケースの内底面の異なる面高さを持つ複数の面の内、上記コア下端面との当接面よりも高い面高さにて上記突起部により保持される
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のリアクトル装置。
5. 上記一組の分割された絶縁ボビンの筒状部の対向する先端部同士が勘合されており、
   上記一組の分割された磁性体コアの外脚部の対向する先端部同士が突き合わされ固定手段によって固着されており、また柱状部の対向する先端部の間に磁気ギャップがある場合に、上記磁気ギャップとなる領域に非磁性の材料を設けた、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のリアクトル装置。

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